2. Введение в полимерные композиционные материалы

Материалы, которые использовал человек в своей деятельности, всегда играли важную, а часто и определяющую роль в прогрессе цивилизации. Они даже дали названия целым этапам развития человечества: каменный век, бронзовый век, железный век и.т.д. В настоящее время круг материалов, созданных и используемых в быту, технике, особенно военной, чрезвычайно широк. Однако с небольшой долей пристрастности современную эпоху можно назвать веком полимеров.

В этой разделе мы остановимся лишь на одном типе полимерных материалов: полимерных композитах или армированных пластиках, которые состоят из высокопрочных волокон различной природы (стеклянных, углеродных, полимерных и других) и полимерного связующего — матрицы, склеивающей волокна в прочнейший монолитный материал. История возникновения искусственных композиционных материалов восходит к истокам цивилизации, когда человек начал сознательно конструировать новые материалы. Первые упоминания об армированных строительных материалах можно найти в Библии. В Египте и Месопотамии строили речные суда из тростника, пропитанного битумом (прототип современных стеклопластиковых лодок и тральщиков). Изготовление мумий в Египте можно считать первым примером использования метода ленточной намотки (мумии обматывались лентой из ткани, пропитанной смолой). Все это происходило за тысячелетия до новой эры.

Конечно же, здесь следует упомянуть и о природных композиционных материалах, таких, как дерево, кости и прочие. Словом, история полимерных композитов чрезвычайно стара. Однако настоящий бум в современном материаловедении возник в конце первой половины ХХ века, когда появились хорошие прочные и легкие стеклопластики и из них начали делать планеры, а затем и многое другое. Современная авиация, ракетно-космичес-кая техника, судостроение, машиностроение немыслимы без полимерных композитов. Чем больше развиваются эти отрасли техники, тем больше в них используют композиты, тем выше становится качество этих материалов. Многие из них легче и прочнее лучших металлических (алюминиевых и титановых) сплавов, и их применение позволяет снизить вес изделия (самолета, ракеты, космического корабля) и, соответственно, сократить расход топлива. В результате сейчас в скоростной авиации используют от 7 до 25 % (по весу) полимерных композитов и снижают вес изделия таким образом от 5 до 30 %. В качестве рекламы этих материалов в США был изготовлен самолет “Вояджер”, практически полностью изготовленный из армированных пластиков (главным образом, углепластика, материала на основе углеродных волокон). Этот самолет облетел вокруг Земли без посадки.

Важно и то, что в отходы при изготовлении деталей из полимерных композитов идет не более 10÷30% материала, в то время как у аналогичных деталей из высокопрочных сплавов алюминия и титана, применяемых в авиации, отходы могут в 4÷12 раз превышать массу изделия. Опыт применения полимерных композитов показал, что максимального выигрыша от их применения можно добиться, лишь творчески подходя к проектированию самолета или другого изделия, учитывая особенности свойств армированных пластиков и технологии их изготовления. Простой пример. Металл - изотропный материал, свойства его одинаковы во всех направлениях, армированный пластик - анизотропный: например, прочность его вдоль волокон намного больше, чем поперек.

Не для всякого изделия необходим изотропный материал. Так, в простой цилиндрической трубе при внутреннем давлении напряжения вдоль и поперек трубы отличаются приблизительно в 2 раза. Поэтому выгоднее по радиусу разместить больше волокон (там больше напряжение), чем вдоль трубы. Такая конструкция называется равнопрочной и позволяет экономить материал. Кроме того, при изготовлении деталей из полимерных композитов требуются меньшие трудовые и энергетические затраты, уменьшается количество производственных циклов, можно вместо большого количества мелких деталей и последующего их соединения болтами или сваркой сделать сразу одну большую.

Компоненты армированного пластика - это волокно и полимерная матрица. Основную механическую нагрузку несут волокна и они, главным образом, определяют прочность и жесткость (модуль упругости) материала.